目录
一、课程设计的目的和要求 (2)
二、总体方案的设计 (3)
三、机械部分设计 (5)
四、数控系统设计 (10)
五、总结与参考书 (14)
第一章课程设计的目的和要求
一.课程设计的目的
机床数控系统课程设计是机械类专业机电一体化课程的重要实践性教学环节之一.是综合运用所学过的机械、电子和计算机知识而进行的一项机电结合的基本训练。其目的是：
1.能够正确运用机床数控技术等课程的基本理论和有关知识，学会设备数控化改
造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算。
2.通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法以及正确
的结构设计方法。
3.通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单数控系统硬件及软件设计的基
本方法。
4.通过课程设计，初步树立正确的设计思想，培养分析问题和解决问题的能力。
5.提高应用手册、标准及编写文件等资料的能力。
二．课程设计的内容
完成一台CA6140普通车床的数控化改造。利用微机对纵、横进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量0.01mm，横向脉冲当量0.005mm。刀架采用电动自动转位刀架，主轴变速采用电磁离合器有极变速。具体内容如下：
1.总体方案的分析、比较、论证。
2.机械部分设计。重点是进给传动系统机构的结构设计及伺服电机的选择计算。
3.数控系统设计。硬件部分完成微机控制系统电气原理图设计；软件部分包括主要程
序框图和部分汇编程序设计。
4.编写课程设计说明书
说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件及其参数的说明，软件设计及其说明等。
5.图纸
（1）机械结构装配图A1图纸2张，要求视图基本完整、符合标准。其中应有一个坐标轴的完整剖视图。
（2）数控系统组成框图A2图纸1张
（3）数控系统电气原理图A1图纸1张
（4）软件框图A2图纸1张
6.课程设计时间分配建议
本课程设计用3周时间完成，各部分所占时间分配大致如下：
（1）方案论证1天
（2）机械部分设计6天
（3）电气部分设计4天
（4）软件设计2天
（5）编写说明书1天
（6）准备答辩及答辩1天
第二章总体方案的确定
普通机床的数控化改造。一般是将普通机床配置上经济型数控系统。并对机床的某些部分作一定的改造，使机床具有数控加工能力，从而提高机床的自动化程度、和加工精度和生产效率。
一、机械部分的改造
机械结构的改造，主要包括进给传动系统的改造、主传动系统的改造及刀架结构的改造三部分。其中，进给传动系统是机床数控化改造的核心部分。
1.进给系统改造方案的确定
为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，对进给系统通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在进给系统的改造设计中应考虑一下几点：
（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母副、滚动导轨或塑料导轨等。
（2）尽量消除传动间隙。包括丝杠、齿轮的传动间隙，轴承游隙及键联接的间隙等。
（3）缩短传动链。缩短传动链不仅可以减小传动误差，还可以提高系统的传动
刚度。此外，滚动副预紧也是提高系统传动刚度的常用方法，例如用加预
载荷的滚珠丝杠副和滚动导轨及滚动轴承等。丝杠支撑设计成两端轴向固
定，并加预拉伸的结构等也可提高传动刚度。
2.主变速系统的改造方案
主变速系统的改造有几种方案可供选择：
（1）手动变速
在自动化程度要求不高，加工对象较固定且变速较少的场合，机床主
轴变速部分可不作改动，仍采用原手动变速机构，数控系统仅控制主
轴电机的起、停和正、反转。这种方案可大大降低改造成本。
（2）有极自动变速
是普通车床数控化改造较常用的方案。滑移齿轮与电磁离合器或液压
拨叉结合科实现自动变档。如果采用双速电机，可进一步增加变速级
数。
（3）变频变速
对于加工精度和自动化程度要求较高，经常要变速且要求变速特性较
好的场合，可采用交流异步电机变频调速系统，实现连续变速。
3.刀架改造
刀架是车床的一个重要组成部分，刀架用于夹持切削刀具，其结构直接影响机床切削性能和效率。车床数控改造应将原机床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架，并由数控系统控制。自动转位刀架由专业厂生产，可直接选用。
二、伺服系统的选择
开环伺服系统在负荷不大时多采用功率步进电机作为伺服电机。开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。
三、计算机系统的选择
计算机数控系统一般由微处理器、存贮器、外设接口电路、机床辅助控制接口电路及伺服驱动电路等几部分组成。
在经济型数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如可采用Z80Cpu 或McS-51单片机组成的微机应用系统。
第三章 机械设计部分
机械部分的改造设计重点是进给系统的结构改造设计。
改造内容：
1. 进给系统改进设计——采用伺服驱动（位置控制）
2. 主传动系统改进设计——采用自动变速（速度控制）
3. 刀架系统改进设计——采用自动转位刀架
具体分解为（1）减速器及电机部分（2）滚珠丝杠副及支撑部分（3）平轨及滑台部分（基本保留原结构，改进摩擦特性，要正确绘出导轨结构，间隙调整）
一、横向进给系统的设计计算
工作台重量 W=300N （粗估）
滚珠丝杠导程 T=4mm （供参考）
行程 S=190mm
脉冲当量 δ=0.005mm
快速进给速度 min 5.1m
V =快 切削进给速度 min
5.0m V =进 时间常数 t 《100ms
横向运动的导轨形式常为燕尾形导轨，其轴向力的实验公式为：)2(W F F KF F P c f a +++=μ，系数K=1.4，摩擦系数μ的取值见纵向导轨。
1. 传动计算
uT a 360
=δ，式中 δ——脉冲当量 a —步距角
T ——丝杠螺距
u —齿轮传动比
48.05
*75.0005.0*360360===aT δμ 2. 切削力计算
本设计采取,3.0,5.2mm f mm a p ==并取c f c p F F F F 5.05.0,==，横向进
给量为纵向进给量的21，则切削力也约为纵向的2
1 由《金属切削原理》知，车削时（外圆车削、横车、内孔车削）
主切削力75.01840*5.0f a F p c ==0.5**2.5*75.03.0=932.33N
切深抗力c p F F )6.0~1.0(*5.0==0.5*.66*0.5=466.17N
走刀抗力c f F F )7.0~15.0(*5.0==0.5*.66*0.5=466.17N
3. 滚珠丝杠设计计算
原机床横向进给丝杠直径为19mm ，所以选择滚珠丝杆的直径为19mm ，初选
型号为FFZD2005
横向运动的导轨形式常为燕尾形导轨， )2(W F F KF F P c f a +++=μ=1.4*466.17+0.17（932.33+2*466.17+300）
=1020.6N
（1） 疲劳强度计算
滚珠丝杠的当量动负荷m C 为a Q w m F f f L C 3=，其中L 为工作寿命，L=610
60nT =6105000*150*60=45，min 150575.0*1000T V 1000r n ===w f 为载荷系数时选择1.5~2.5.此次计算取2，Q f 为精度系数，3、4级取1.1，所以N F f f L C a Q w m 36.79866.1020*1.1*2*4533===
所选择的FFZD2005型号的滚珠丝杠的额定动载荷是10KN ，所以疲劳强度符
合要求。
（2） 刚度验算 滚珠丝杠的刚度按下式校核][2
10*316
1δδδδ≤++=r a K F l 其中1δ——丝杠拉压弹性位移，滚珠丝杠按一端固定，一端自由或简支的丝杠：AE
l F a 4*11=δ，a F 为轴向载荷，A 是丝杠内径截面积，E 是弹性模量，钢的E=2.1*5102mm
N ，l 是螺母至轴固定端的最远距离。 2δ——是丝杠副内滚珠与滚道的接触变形。r a K F =
2δ，a F 是预紧力为额定载荷3
1时的接触刚度，
3δ——滚动轴承的接触变形，推力球轴承：3231
23*)1(52.0a w F Z D =δ（)m μ，Z 是滚动体数目，w D 是滚动体直径，a F 是轴向载荷的3
1。 1δ：A=
4)5.319(*2-π=188.62m m ，51110*1.2*6.188*4*6.1020l =δ 所以m um l l l 44.6*10*1.2*6.188*4*10*6.102010*1
51616
1==δ um K F r a 33.1770
6.10202==δ 3δ：=
w D 4.736 ，Z=12 323123*)1(52.0a w F Z
D =δ=5.798um 所以
m um K F l r a 669.102798.533.144.62
10*316
1=++=++=δδδ 所以所选择的滚珠丝杠符合3级的弹性变形允许的行程误差，3级允
许的行程误差为12m um .
（3） 滚珠丝杠的支持方式
一端轴向固定一端自由
二．步进电机的规格选择计算
加在电机上的总转矩M 由以下几部分组成：M=m l M M M ++0
1.负载转矩l M ).(*180m N F M a l αη
δπ=，η为从电机到丝杠的总传动效率，82.0=η，α为步距角，δ为脉冲当量。
m N M l .4757.082
.0*75.010*6.1020*005.0*1803
==-π 2.滚珠丝杠副预紧引起的附加转矩0M α
δπ00*180F K M =（N.m ），0F 为丝杠螺母的预紧力，K 为预紧螺母内部的摩擦系数，K=0.1~0.3.
m N M .026.075
.010*6.1020*31*005.0*2.0*1803
0==-π 3.加速度转矩m M ).()(1800
1m N J t f f M m -=πα 1f 为电机工作频率，切削进
给时1f 按最高进给速度计算，快速运动时1f 按空行程速度计算；0f 为突跳起动频率，取200HZ ，t 为加速时间，取0.1s ，J 为传动系统折算到电机轴上的等效转动惯量，对于一级齿轮传动系统，23222110)180()()()(πα
δm J J Z Z J J J ++++=，0J 是电机转子惯量，21~J J 分别是齿轮21~Z Z 的转动惯量，3J 是丝杠转动惯量，m 是工作台总质量，δα\是步距角和脉冲当量。
切削进给时HZ 1167005
.0*605.0*100060V *10001===δ进进f 快速运动时HZ 3501005
.0*605.1*100060V *10001===δ快快f 对于盘类零件：ρπ
L D J 432=，L 为齿轮宽度， ==11D L d φ 0.5*48=24 mm
mm
L 195242=-=251241.10*75.910*8.7*24*48*32m kg J --==
π 231242.10*45.110*8.7*19*100*32m kg J --==
π 251243.10*310*8.7*300*19*32
m kg J --==π
240.10*7.4m kg J -=
所以24232423222110.10*12.9)75.0*14.3005.0*180(1030010*48.1)5024(10*675.5)180()()(
)(m kg m J J Z Z J J J ---=+
+=++++=παδ 所以，切削进给时m N J t f f M m .1154.010*12.9*)1.02001167(18075.0*14.3)(180401=-=-=
-πα 快速进给时
m N J t f f M m .3939.010*12.9*)1
.02003501(18075.0*14.3)(18040
1=-=-=-πα 所以M=m l M M M ++0=0.4757+0.026+0.3939=0.8956N.m
计算出各部分的转矩及总转矩后，依据运行矩频特性选步进电机型号为110BF003。
三 、进给传动齿轮间隙的消除
进给传动齿轮的齿侧间隙不仅产生换向运动误差并影响步进伺服系统的运动平稳性，必须采用各种方法减少或消除齿轮传动间隙。本次设计采用柔性调整法中的双齿轮错位式消除间隙结构。如附图A1号装配图中弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄片齿轮的左右齿面分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，消除了齿侧间隙，采用这种结构由于正向和反向旋转时，分别只有一片齿轮承受扭矩，因此承载能力受到了限制，在设计时必须计算弹簧的拉力，使它能够克服最大扭矩，否则将失去消除间隙的作用。
第四章 数控系统设计
一、数控系统的种类
通用PC 微机控制系统
专用型微机控制系统
单片机扩展系统
二、本次设计内容
通用PC 机，基于工业PC 机的机床数控接口电路板的设计，框图见附图A2，目前的机床数控系统已较普遍的采用了基于工业PC 机的系统体系结构，这种数控系统的计算机在功能上完全与标准的PC 机一样，各硬件模块板也均与PC 机总线标准的PC 机一样，各硬件模块板也均与PC 机总线标准兼容，其目的是利用PC 机丰富的软件和硬件OEM 资源，提高系统的适应性、开放性，降低价格，缩短新产品开发周期。工业PC 机与普通商用PC 机在结构上略有不同的是，从系统可靠性出发，采用了模块化设计，它的主板与系统总线是分离的，即系统总线是一单独的无源母板，主板及其他模块则做成插卡形式。
三、控制对象
1、 X 向步进电机，采用软件环形分配表，应使用三位控制
2、 Z 向步进电机
3、 刀架用异步电机控制正反转，至少使用两位控制
4、 工作报警指示灯一位
5、 显示字位、字形
6、 键盘扫描
为了简化电路，键盘的行线及LED 显示器的字位控制共用一个D 。LED 是八段共阴极显示器，每个显示器由8个发光二极管组成。二极管的阴极连在一起，当某发光二极管阳极为高电平（=1）时，此段发光二极管点亮。七段LED 显示块中的七个发光二极管点亮后构成七笔字形“日”，一个发光二极管为1数点，键盘与显示共用一个口进行控制，在进行键盘巡回扫描时必须先关显示。
本设计中采用4*8键，键盘的行线及LED 显示器的字位控制共用82554（2）70~PA PA 担任，显示器的字形数据控制由8255（1）的PBo 担任，显示器的字形数据控制由8255（2）的PB0担任，字位控制高电平（=1）有效，字形控制低电平（=0）有效。
7、 主轴正转、反转（至少使用两位控制）
另外，控制对象还包括有主轴变速、冷却、工件夹紧、照明排屑。
四、检测对象
1、 功能选择：编辑\自动\手动\回零\空运行\MDI\手脉，如附图中所示，使用多波段
开关选择。8255（2）
2、 回零检测X 、Z 两位，8255（1）32\PC PC
3、 手动：+X 、+Z 、-X 、-Z ，通过按钮由键盘控制
4、 、超程检测：+X 、+Z 、-X 、-Z （接中断）
5、 开关按钮：启动、暂停、停止、急停、单段选择
6、 刀位检测3210T T T T （8255（1）10\PC PC ，8255（2）10\PB PB ）
7、 螺纹加工（主轴脉冲，零脉冲）（接8254CLK1、CLK2）
8、 键盘扫描（4位）
另外，检测对象还包括手动快进、跳段、机械锁定、手脉：*1Z1\10\100um ，切削倍率，快进倍率，冷却，夹紧，照明，排屑，润滑等。
五、电气原理分析
1、 步进电机驱动电路
步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机，在负载能力及动态特性范围内，电
动机的角位移仅与控制脉冲数成正比，转速仅与控制脉冲频率成正比。在多数
情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A|D 或D|A 转换，可采
用较为简单的开环控制，因而成为经济型数控机床最主要的一种伺服驱动元件，
步进电机的驱动电路由以下四部分组成
2、隔离电路
在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几千伏），电流也较大（几安到几十安），如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电气干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则引起计算机和接口电路的损坏，所以一般在接口电路与功率放大器直接都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。 光电耦合器由发光器件和受光器件组成，联接发光源的引线作为输入端，联接受光器件的引线作为输出端，通常发光器件为发光二极管，受光器件为光敏三极管，本次设计是使用的为4N25光电耦合器共集电极输出型接线图，此外，还有其发射极输出型。当输入信号0V 加到输入端时，发光二极管导通，激发发出红外光，受光三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端在电气上完全隔离。
3 、译码电路
在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连，单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送，故要进行片选控制。片内多个字节单元时，还要进行片内地址选择。
对于PRAM 和I|Ｏ容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，常采用全地址译码法，它将降低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址线用作片选线。
通常可采用３-８译码器（７４ＬＳ１３８）
输入端占用３根最高位地址线， 剩余的１３根地址线可作为片 内地址线，因此，译码器的８
根输出线分别对应８个８Ｋ字节 地址空间。 本设计７４ＬＳ１３８将CD 接地 ，地址线32\A A 连接输入端口A\B 。 输出线210\\Y Y Y 作为输出线用作片选线， 分别连接8255（1）、8255（2）、8254、CS 端口。
4、 系统总线
母板为总线结构的无源母板，它提供各模块板之间的互联的信号通路。IBMPC 总线是IBMPC|XT 个人计算机采用的微机总线，它是针对Intel8088微处理器设计的，包括8位数据总线，20位地址总线，6条中断信号线，3条DMA 控制线，4条电源线及其他控制线共62条，总线连接在母板的哥哥插槽上。
各系统总线与芯片接口的连接如附图所示。
5、双向总线驱动器74LS245和单向三态缓冲器74LS74
要避免总线扩展槽引脚负载过重而产生的不正常后果，如损坏元器件，产生干扰信号等，一般来说，在同一扩展槽中，每一引脚的负载能力大部分为一个TTL 器件（如74LS 系列器件）或约20个MOSt 器件，如果接口卡上与总线引脚直接相连的器件较多，就需要增加总线的输出负载能力，其方法是在总线上增加缓冲器或驱动器，使接口卡上的总线先经过缓冲器再和其他器件相连。一般的缓冲器可使负载能力提高一个数量级。典型的缓冲器或驱动器芯片有74ＬＳ２４４，７４ＬＳ２４５等，其中７４ＬＳ２４４是一单向三态缓冲器，７４ＬＳ２４５是８位双向的总线驱动器。对地址总线和控制总线，因为是单向的，所以可采用７４ＬＳ２４４作驱动器，对数据总线，因为是是双向的，所以应采用７４ＬＳ２４５作驱动器。
如附电气原理图所示，将７４ＬＳ１４４ DIR 引脚与７４ＬＳ２４５1Y 引脚相连，由ＲＤ信号控制DIR 引脚状态，从而控制７４ＬＳ２４４数据传输方向。 DIR ＝０ Ａ Ｂ ＩＮ
DIR ＝１ Ａ Ｂ OUT
６、接口电路设计的地址译码
开发一个新的接口电路，首先要为它分配一个或几个端口地址，这就用地址译
码器电路来完成，也就是要解决接口电路与地址总线及部分控制线的连线问题。口地址译码方式灵活多样，从译码电路形式可分为固定式和可选式译码，从译码电路采用的元器件中，可分为门电路译码和译码器译码。
本设计选用开关式可选口地址译码电路，如附图所示，这样译码方式使接口电
路的口地址可根据要求进行改变，而无需改动线路，电路中使用了8位比较器748688当输入70~A A 的地址与设置端70~Q Q 的开关状态一致时输出为低。
7 、用可编程并行接口芯片组成的输入输出接口电路
本设计采用两个8255芯片，8255（1）AD 、BD 作为输出控制对象，8255（1）CD 74~PC PC 担任键盘列线，8255（2）AD 70~PA PA 担任键盘的行线及LED 显示器的字位控制。8255（2）BD 担任显示器字形控制，8255（1）CD 74~PC PC 和8255
（2）CD 担任输入口。
9、 可编程是时|计数器8254
每个8253内部有三个独立的16位减法计数器，每个计数器都有三个引脚，分别为脉冲输入端CLK ，门控输入端GTAE 和输出端OUT ，本次设计中，GATE0=GATE1=GATE2,允许计数，CLK0接时钟信号，OUT0接脉冲信号，21\CLK CLK 分别接脉冲和零脉冲，21\OUT OUT 接中断。
总结
本次设计历时15天，方案论正1天，机械部分设计6天，电气部分设计4天，软件设计2天，编写说明书1天，准备答辩及答辩，1天，完成改造装配图，布置图，电气原理图3张Ａ１图纸，和一张Ａ２控制系统总体方案图。
本设计为机电一体化设计，为各种知识的综合应用，其中涉及到所学过的机械制图＼机械设计和没有学过的计算机硬件技术＼单片机原理及接口技术＼电气原理等课程。
此次课程设计锻炼了我们的实践能力和独立解决问题的能力。每次课程设计我们都力争将课堂所学的基础理论知识与设计任务相结合，在设计过程中印证和巩固已学过的知识。改造装配图经过了反复的修改，修整错误和不足的地方，使其有利于加工、装配，这其中遇到了很多问题，问题有的请教老师，有的则自己翻阅资料或与同学商讨完成，为以后的工作打下了基础。
设计过程中也让我们更加认识了知识的严谨和学习所应有的态度。做机械部分结构设计时，我们很多都要求参阅手册或查阅资料，每一个细小的零件都不能忽视，这是本次设计的一个重要的部分。通过本次实践，我们知道机械设计查阅图册、图表、工具书是多么重要的事情，是机械设计标准化得标尺。
在电气设计部分，由于没有学过计算机硬件和单片机接口技术，我们尽自己最大努力弄清楚给的参考图的原理，在已知电气原理图的情况下，弄清楚各个芯片的原理。
在以后的工作和学习中，每一次的实践经历都是我们的宝贵财富，我们学会从中吸收精华，认真对待每一次的课程设计。
参考文献：
蒋和生主编《机电综合课程设计指导书》重大出版社2002年
蒋和生主编《数控技术及应用》重大数控材料2005年
上海纺织工学院《机械设计图册》上海科学技术出版社1980年《机械设计手册》编写组机械设计手册化学工业出版社1995年
《机床设计手册》
附属材料：
1、机械结构装配图A1图纸一张
2、机械外观图A1图纸一张
3、数控电气原理图A1图纸一张
4、控制系统总体方案A2图纸一张
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目录 第一章设计任务 (5) 1.1题目： (5) 1.2 任务 (5) 第二章总体方案的确定 (6) 第三章机械系统的改造设计方案 (7) 3.1主轴系统的改造方案 (7) 3.2安装电动卡盘 (7) 3.3换装自动回转刀架 (8) 3.4螺纹编码器的安装方案 (8) 3.5进给系统的改造与设计方案 (9) 第四章进给传动部件的计算和选型 (10) 4.1脉冲当量的确定 (10) 4.2切削力的计算 (10) 4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (11) 4.4同步带减速箱的设计 (12) 4.5步进电动机的计算与选型 (13) 4.6同步带传递效率的校核 (16) 第五章绘制进给传动机构的装配图 (18) 第六章控制系统硬件电路设计 (21) 第七章步进电动机驱动电源的选用 (22) 第八章容总结 (29) 参考文献 (30) 摘要
我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要容之一。
车床数控化机械部分的改造设计 发表时间：2018-12-26T12:35:56.377Z 来源：《防护工程》2018年第27期作者：王德顺 [导读] 车床是机械加工业中必不可少的加工工具。随着我国经济的迅速发展，机械加工业也在快速发展。 济宁市技师学院山东省济宁市 272000 摘要：近几年，我国生产制造行业得到了迅速的发展。在生产制造业发展过程中数控机床的市场需求也不断增加，对于普通机床的改造成为时代发展的主要趋势。在实际普通车床数控化改造过程中，电极参数选择不精确、数控系统功能不合理等问题频繁发生，影响了普通车床数控化改造的精确度。因此为了保证改造后数控机床的应用效率，对具体改造过程进行进一步分析非常必要。 关键词：普通车床；机械结构；数控化改造 车床是机械加工业中必不可少的加工工具。随着我国经济的迅速发展，机械加工业也在快速发展，数控车床逐渐取代了原本的普通车床，但是，普通车床仍然在使用。因为数控车床的价格比较高，很多企业无法负担，所以，需要对普通车床的机械结构进行数控化改造，以增强普通车床的自动加工能力，提高加工精度。通过对某型号普通车床机械结构进行数控化改造，提高普通车床的加工精度。 一、车床数控化改造的必要性 相比较于传统机床，通过数控机床，能够对繁琐复杂的零件开展加工工作；能够显著提高机床工作效率，确保机床加工自动化月柔性自动化的实现；数控机床所加工的零件具有非常高的精准度，尺寸计算能力更强，有利于安装与配置工作的开展，不需要开展有关修配工作；能够集中起多个工序，降低零件的搬运频率；能够自主开展有关报警监控与补偿等工作等等；使工人劳动强度得到显著降低，有效缩减新产品试制与生产周期。与此同时，在企业信息化改造过程中，机床数控化发挥着重要的基础作用，数控技术既是制造业自动化的核心技术，更是其重要的基础技术。 二、车床数控化改造的特点 1、车床改造方案的制定，是通过车床中存在的问题来进行的。在改造车床的过程中，具有较强的针对性，确保符合有关生产的要求与规定。在改造旧车床数控化过程中，大多数基础件与很多传动部分无需进行更换，应当将这些零部件予以高效利用，在减少原材料与资金费用开支的同时，能够有效缩短改造时间，确保生产工作的迅速开展。 2、通常情况下，车床大型构件的制造运用的是铸铁，相比较于新铸件其稳定性更加突出，只需对中小型部件开展修复或更换工作即可。应当满足多品种、小批量零件生产的需要，扩大车床应用范围。通过车床数控化改造，能够实现生产设备自动化水平与能力的提升，强化设备质量。此过程中，更加需要注入科学技术的力量，让科学技术的应用促进车床数控化的改造，以促进改造目的的实现。 三、机床精度、质量检测与调试 1、精度调试。普通车床机械部分数控化改造后，必须进行精度调试。数控车床精度主要体现在：主轴跳动、刀塔精度、丝杠精度三方面可以用主轴千分表测量主轴精度、刀塔两项精度；跳动、圆度精度不合格的通过主轴卡头重新装配或车卡头来实现精度调整； X、Z 轴丝杠精度可通过调节伺服电机的齿轮比及精修丝杠和调节反向间隙及刀塔装配位置调整，反向间隙调试时要选用千百分表；进行几何精度调试时，可选择用角尺，平尺，千分表；当进行定位误差调试时，必须用激光干涉仪对定位精度进行测量，然后，根据情况进行适当的补偿，可以大大提高机床的定位精度和加工精度。重复定位精度不合格，要通过调整丝杠和丝杠母间隙或更换丝杠和轴承。精度调试是一个比较复杂的过程，一般是机械和电气部分都改造好后再调试。不同的机型调试也有差异，要根据机型特点进行调试，一般都要反复调几次，直到调好为止。 2、质量检测与调试 （1）质量检测。质量检验指机床性能和功能的检验，普通车床数控化改造后，机床性能检验项目主要有主轴性能、进给性能、机床噪声、润滑等。主轴性能有手动操作、手动数据输入方式（MDA）；进给性能有手动操作、手动数据输入方式（MDA）、软硬限位、回原点；数控功能检验项目有准备功能、辅助功能、操作功能、显示功能等方面。 （2）检测与调试。质量检测与调试包括空运转检测调试、动作检测调试、功能检测调试及试切削检测调试等。空运转检测调试：让机床主运动由低、中、高运转，观察主轴轴承温度是否稳定，再输入程序做连续运动，如果正常可连续运转不少于48h。动作检测调试：按数控系统安装手册进行主轴变挡指令调试，检测各轴正负两个方向的超程。功能检测调试：用指令对机床的功能进行调试，检查动作的灵活性和功能的可靠性。然后做进给坐标超程、手动数据输入、位置显示、程序暂停、程序删除、回基准点，程序序号显示和检索、直线插补、直线切削循环、刀具位置补偿、螺距补偿、锥度切削循环、螺纹切削循环、圆弧切削循环、间隙补偿等功能的可靠性、动作灵活性等调试。试切削检测调试：把事先准备好的零件程序输入系统，进行试切削加工，检测机床数控化改造后的加工性能和精度的稳定性。 四、车床数控化改造 1、普通车床床身导轨的改造。我国大部分普通车床的床身材料为铸铁，在进行数控化改造时，为了提高床身导轨的精度，可以在铸铁导轨上粘贴塑料软带。塑料软带能够提高车床导轨的润滑性，使导轨上的主刀行进得更加流畅，从而保证车床的加工精度。在改造过程中，也可以将传统的铸铁导轨改造为滚动导轨，滚动导轨的摩擦系数比较小，不会影响机械加工的几何精度。 2、滚珠丝杠的改造。滚珠丝杠主要是由滚珠、丝杠、回珠管等构成的，它可以将车床机械部件的回转运动转化为直线运动。普通车床中的滚珠丝杠可以提高车床的传动效率，使车床刀轴的行进过程更加平稳。因为滚珠丝杠在运行过程中不会产生较大的振动，所以，不会产生过大的摩擦阻力。对滚珠丝杠进行数控化改造时，需要测量滚珠丝杠的齿差缝隙、丝杠转速和滚珠直径等，以保证改造完成后车床不会出现直线行进失稳的情况。 3、主轴传动系统的数控化改造。普通车床的主轴是由电动机带动皮带使主轴旋转。在数控化改造时，尽量不要破坏原本的主轴箱，主要改造电机的变速系统。因此，可以用双速或者四速电动机代替原本的电动机，以增强主轴传动系统的传动能力。在改造过程中，可以在主轴传动系统中增加脉冲编码器，标记主轴运行的初始位置，为主轴传动编码，让主轴每转动一圈编码器自动调整一次主轴刀具的位置。一般情况下，脉冲编码器安装在主轴箱中，并与电动机的传动齿轮1∶1 连接，从而实现主轴与编码器的同步运行。 4、车床进给系统的数控化改造。在改造进给系统时，需要加装步进电机，并在进给系统的步进电机上安装减速器。减速器通过连接装
摘要 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中的结构复杂.精密.批量小.多变零件的加工问题。且能稳定加工质量，大幅度提高生产效率。但数控机床价格昂贵，一次性投入对企业来说负担很大。另一方面，在国内还有大量的普通机床,只需对其进行一些相关的技术性改造就可以形成一定生产能力的经济型数控机床。不仅能节省很大一部分资金，还能提升其市场竞争力。具有极大的经济潜力。 对于职业院校的数控实训教学而言，通过闲置的普通车床进行数控化改造，可盘活资产，实现资产优化配置，同时对教师和学生而言也是一次很好的学习、锻炼和提高的机会。对推动教学改革、专业转型和课程开发都有积极的意义。 我院现有闲置的普通车床为云南机床厂生产的CAY6140-1000，通过对该机床的结构特点进行分析，对机械和电气进行数控化改造，改造后的数控车床主要用于中小型轴类零件、盘类零件及螺纹的加工。
第一章数控机床的结构和工作原理 1.1数控车床工作原理及加工特点 以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床，简称为数控机床。 数字控制系统是相对于模拟系统而言：数字控制系统中的信息是数字量，而模拟控制系统中的信息是模拟量。随着计算机技术的发展，硬件数控系统已被逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控（CNC）系统。 图1-1 数控车床 1．数控车床的工作原理 数控车床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如择刀、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其辅助装置严格地按照程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 2．数控车床的加工特点 （1）高难度零件加工：“口小肚大”的内成型面零件，有仅在普通车床上难以加工，还难以测量。 （2）高精度零件加工：高精度零件均可在高精度的特种数控车床上加工完成。 （3）高效率完成加工：为了提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批工序特别复杂零件车削全过程的自动化。 1.2 数控车床的组成 数控车床一般由输入/输出装置、CNC装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体和测量装置组成。图3-1是数控车床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统
摘要 普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括： (1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。 (2) 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。 (3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。 (4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。 通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。 关键字：普通车床数控改造步进电机经济型数控系统数控刀架
一绪论 我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。 由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。 机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。 普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，
C6132普通车床数控化改造设计 摘要 机床数控化改造的研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资金受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。 本文对C6132普通车床数控化改造进行了深入研究，包括对机床改造进行可行性分析、对机床关键部件参数的计算、对机床结构的设计、对机床改造方案优化选择、选择合适的机床伺服系统和计算机系统，以及在改造中应注意的事项等进行了详细的论述。结果表明:经改造后的机床已达到预期的功能和精度，完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。 关键词:普通车床，数控改造，步进电机，经济型数控系统，MCS-51
C6132 NC lathe design of ordinary ABSTRACT S tudy on machine tool numerical control transformation of important project is to improve the level of technical equipment in China, with large extended serviceand technology in China urgently needs to be updated of the old machine tool case, because the NC machine tool processing capacity and funding is limited, of machine tool numerical control transformation is a saves money, fasted effective way. C6132 lathe NC system to rebuild this article to be an in-depth study, including machine tools retrofitting feasibility analysis, calculation of parameters of the key parts of machine tool design, machine tool, machine too l structure rebuilding scheme optimal selection, choose a suitable machine tools servo system and computer system, and matters for attention in the reform are discussed in detail. Results: after the transformation has reached the expected functionality and accuracy of machine tool, fully able to realize process of cylindrical, conical, thread, automatic control at the end, improve the efficiency of the original production of machine tools, lower labor intensity KEY WORDS：Lathe, numerical control transformation, stepping motors, CNC system, MCS-51
目录 1设计任务 (2) 2设计要求 (3) 2.1总体方案设计要求 (3) 2.2设计参数 (3) 2.3.其它要求 (5) 3进给伺服系统机械部分设计与计算 (5) 3.1进给系统机械结构改造设计 (5) 3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型 (6) 3.2.1确定系统的脉冲当量 (6) 3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (6) 3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (10) 4步进电动机的计算与选型 (13) 4.1步进电动机选用的基本原则 (13) 4.1.1步距角α (13) 4.1.2精度 (14) 4.1.3转矩 (14) 4.1.4启动频率 (14) 4.2步进电动机的选择 (14) 4.2.1 C6140纵向进给系统步进电机的确定 (14) 4.2.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 (14) 5电动刀架的选择 (15) 6控制系统硬件电路设计 (15) 6.1控制系统的功能要求 (16) 6.2硬件电路的组成： (16) 6.3电路原理图 (16) 6.4主轴正反转与冷却泵启动梯形图.......................................... 错误！未定义书签。7总结 (18) 8参考文献 (18)
1设计任务 设计任务:将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床。 主要技术指标如下： 1) 床身最大加工直径460mm 2) 最大加工长度1150mm 3) X 方向（横向）的脉冲当量 mm/脉冲，Z 方向（纵向）脉冲 当量 mm/脉冲 4) X 方向最快移动速度v xmax =3100mm/min ，Z 方向为v zmax =6000mm/min 5) X 方向最快工进速度v xmaxf =370mm/min ，Z 方向为v zmaxf =730mm/min 6) X 方向定位精度±0.01mm ，Z 方向±0.02mm 7) 可以车削柱面、平面、锥面与球面等 8) 安装螺纹编码器，最大导程为25mm 9) 自动控制主轴的正转、反转与停止，并可以输注主轴有级变速与无极变 速信号 10) 自动控制冷却泵的起/停 11) 纵、横向安装限位开关 12) 数控系统可与PC 机串行通讯 13) 显示界面采用LED 数码管，编程采用相应数控代码 01.0=x δ02.0=z δ
摘要 针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰。 数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。 购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有： 1．对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案； 2．对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究； 3．对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法； 4．根据普通车床CA6140电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造CJK6140-A的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图； 5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图； 6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量； 7.绘出相应的零件图和装备图； 8．给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。 关键词：普通车床、数控、改造
ABSTRACT Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise’s production. As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises’equipment updating step are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country.The main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle. 2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. 3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. 4. The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140’s electricity control system and principle with the reforming CJK6140-A’s NC system. 5. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a techniquediagram. 6. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe. 7. Draw out parts diagrams and assemble diagram. 8 .Methods of installing and testing of general purpose lathe’s numerically controlled reforming were put forward.
C6140普通车床数控化改造设计方 案 有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术
普通机床数控化改造实例及分析 来源：数控产品网添加：2010-05-22 阅读:649次 [ 内容简介] 机床与生产线的数控改造主要内容有：(1)恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； (2) NC化，在普通机床上加数显装置或加数控系统；(3)翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不能满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；(4)技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新。 现在很多企业为了生存和发展，不断地提高机床的数控化率是必要的。需要进行数控改造的设备一般包括传统机床及近期从国外引进，因存在问题而不能投产的机床设备和生产线。我们芜湖高新重型机床有限公司，在机床数字化控制和改造方面有独特的心得和实际经验。在普通机床恢复精度改造成高效的数控机床方面做了大量的工作。现为了更好的服务客户，我们总结了有关机床数控改造的知识供大家参考。 一、数控改造的内容 机床与生产线的数控改造主要内容有：(1)恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； (2) NC化，在普通机床上加数显装置或加数控系统；(3)翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不能满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；(4)技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新。 二、数控系统发展的趋势 l．向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控任务PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。在远程通信、远程诊断和维修的应用将更加普遍。 2．向高速化和高精度化发展 3．向智能化方向发展 (1)应用自适应控制技术。数控系统能检测过程中的重要信息，并自动调整系统参数，改进系统运行状态。 (2)引入专家系统指导加工。将熟练工人和专家经验、加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 (3)引入故障诊断专家系统 (4)智能化数字伺服驱动装置。可以通过自动识别负载和自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行状态。 三、数控系统的选择 1．开环系统 该系统的伺服驱动装置是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。这种系统不需要位置和速度反馈，位移精度主要决定于步进电机的角位移精度和齿轮丝杠等传动元件的精度，所以位移精度低。但系统结构简单、调试维修方便、工作可靠、成本低、易改装成功。 2．闭环系统 该系统由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置信号反馈给计算机，与给定值进行比较，将两者的差值放大并变换，驱动执行机构，以消除偏差。此系统复杂、成本高、对环境温度要求严。但系统精度高、速度快、功率大。可根据产品技术要求，决定是否采用。
机床数控改造的意义 1)节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2)性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3)提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 1普通车床的数控化改造设计 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成(那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论)。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。 2数控车床的性能和精度的选择 并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。1)轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。2)进给运动：进给速度：Z向(通常为8～400mm/min)；X向(通常为2～100 mm/min)。快速移动：Z向(通常为1.2～4m/min)；X向(通常为1.2～3m/min)。脉冲当量：在0.025～0.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。加工螺距范围：包括能加工螺距类型(公制、英制、模数、径节和锥螺纹等)，一般螺距在10mm以内都不难达到。3)进给运动驱动方式(一般都选用步进电机驱动)。4)给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。5)刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。6)其他性能指标选择：插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车床加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等，实现有限的诊断功能。以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标，有的车床改造根据需要还会有些专门的要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、车刀高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设
普通车床的数控化改造设计 摘要 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为CNC装置控制的能独立运动的进给伺服系统，将刀架改造成能自动换刀的回转刀架。这样，利用CNC装置，车床就可以按预先输入的加工程序进行切削加工。由于切削参数，切削次序和刀具选择都可以由程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给联动的功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量，多品种复杂零件的加工。 本设计主要对横向进给系统的数控改造，其中包括一般的铸铁导轨改成贴塑导轨，把螺纹丝杠改成滚珠丝杠，一把的异步电动机改成伺服电动机（步进电动机），最后把手动刀架改造成有伺服电动机驱动能自动换刀的刀架。这样改造后的数控车床就能满足自动加工和一般的加工精度。 关键词：进给伺服系统，回转刀架，滚珠丝杠，导轨
目录 前言 (1) 第1章横向进给传动链的设计计算 (6) 1.1 主切削力及其切削分力的计算 (6) 1.2 导轨摩擦力的计算 (6) 1.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (7) 1.4 确定进给传动链的传动比i和传动级数 (7) 1.5 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 (7) 第2章滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 (10) 2.1 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷 F的校验 (10) c 2.2 滚珠丝杠螺母副临界转速 n的校验 (10) c 2.3 滚珠丝杠螺母副的额定寿命的校验 (11) 第3章计算机械传动系统的刚度 (12) 3.1 计算机械传动系统的刚度 (12) (13) 3.2 计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度K φ 第4章驱动电动机的选型与计算 (14) 4.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 (14) 4.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩 (14) 4.3 计算折算到电动机轴上的加速力矩 T (15) ap 4.4 计算纵向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩16 4.5 选择驱动电动机的型号 (16) 第5章机械传动系统的动态分析 (18) 5.1 计算丝杆—工作台纵向振动系统的最低固有频率 ω (18) nc 5.2 计算扭转振动系统的最低固有频率 ω (18) nt 第6章机械传动系统的误差计算与分析 (19) 6.1 计算机械传动系统的反向死区? (19) 6.2 计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 δ (19) k max 6.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 (19)
机电一体化系统设计任务书总汇 课题：C6140普通机床的数控化改造 姓名：蒋青松（第7组） 班级： 5 学号： 专业：机械设计制造及其自动化 院系：机械工程学院 2015年6月
任务一 一：总体方案的确定 总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。 1.普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。 2.普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。 3.根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。 4.根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等，还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。 5.为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。 6.计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副，且应有消间隙机构。
二：机械本体 初步原理框图
数控原理框图 三：问题说明 1：连续控制系统：由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速度相对于工件沿加工路径运动（因为点位控制系统要求工件相对于刀具运动过程不进行切削），所以选择之； 2：开环控制系统：该改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，没有加入反馈系统，为了简化系统，降低成本，所以选择之。3：机床选择X，Z两轴联动。 4：由于是开环控制，而且结构简单，适用于普通数控机床，功能水平低。
摘要 针对大多数企业，具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰，购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径，但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品。为此改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，是当前许多企业对现有设备更新换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径。 改造后的车床属于开环控制。由于开环系统自身固有的缺陷不容易保证加工精度。因此，合理选择伺服系统是课题的一个中心环节。步进电机工作原理特性和实际应用正好符合我们的这一需求，所以，改造系统选择步进电机作为双向进给驱动电动机。步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，本文采用的控制电路主要由8031单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘／显示控制器Intel一8279等组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的设计。 本设计在对原有机床机械机构、性能、功能等进行充分研究基础上，主要针对中小型普通车床控制系统进行改造，用单片机系统实现弱电控制强电机，改造了系统的切削工艺，提高了切削精度和效率，对旧车床的数控改造有一定的指导作用，是一种新的尝试，也必将有更加广阔的应用前景。 关键词：数控化、自动控制、步进电机、自动刀架。
? 电气技术与自动化? 李盛宇? 普通车床的数控化改造
普通车床的数控化改造
李盛宇
( 丽水学院 机械系 ,浙江 丽水 323000)
摘 要 : 通过对普通车床的数控改造 ,使其加工精度明显提高 ,定位准确可靠 ,操作方便 ,性能 价格比高 。这种方法对中小企业设备的数控化改造有一定借鉴与推广作用 。 关键词 : 车床 ; 数控 ; 改造 中图分类号 : TG511 ; TP205 文献标识码 :B 文章编号 :167125276 (2005) 0320121203
The Alteration of Numerical Control Lathe
L I Sheng2yu (Lishui College , Mechanism Science Depart ment , ZJ Lishui 323000 , China) Abstract : This paper int roduced an alteration met hod of numerical cont rol lat he. This alteration leads t he ma2 chining precision sharply improved. The positioning is precisie and reliable , and t he manipulation is conve2 nient , finally t he price is much cheaper. This met hod is wort hy to popularize for reference. Key words :lat he ; numerical cont rol ; alteration
0 前言
数控技术水平的高低和数控设备拥有量的多 少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志 。 但是 ,发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初 期投资大 ,这使许多中小型企业难以承受 。如果淘 汰大量的普通机床 , 而去购买昂贵的数控机床 , 势 必造成巨大的浪费 。因此 ,普通机床的数控化改造 大有可为 。 为了机电一体化和数控加工技术专业教学的 需要 ,更新现有的数控实验设备以改善办学条件 , 比较经济有效的办法就是充分利用和改造现有的 设备 , 满足教学实践的需要 。为此 , 对我校实习厂 原有的 S K360 普通车床成功地进行了数控化改 造。
有关资料 ,确定总体方案为 : 利用数控系统对输入的加工程序进行运算处 理 ,发出的进给指令通过 I/ O 接口输出给 X 轴和 Z 轴步进电动机 ,经齿轮减速后 ,带动滚珠丝杠转动 , 由螺母带动刀架直线移动 ,从而实现纵向和横向的 自动进给运动 。换刀指令通过刀架控制器控制三 相电动机实现刀架转位功能 ,由脉冲编码器协调完 成螺纹车削功能 ( 图 1) 。
2 数控改造的主要结构
2. 1 数控系统
数控机床的价格主要由数控系统来决定 ,数控 系统从功能上可分为低中高三档 , 中高档系统 ( 如 Siemlens 、 Fanuc 和华中 I 型等 ) 功能齐全 , 性能优 良 ,但价格偏高 ( 2～4 万元不等) 。结合实际 ,从实 用角度出发 ,我们选择了中美合作兰博数控公司的 产品 : LBNC - 2 T 型数控车床系统 , 该系统采用 8031 单片机为主控单元 , 编程格式符合 ISO 国标 代码标准 、 三排数码管显示程序字符和两轴动态坐 标 ,具有自动加工 、 自动换刀 、 车螺纹和 MD I 等功 能 ,是教学 、 生产两用型的数控系统 。
1 总体改造方案
数控机床由机床 、 数控系统和外围技术三部分 组成 。普通车床改造的目的是利用数控系统控制 车床自动完成机械加工任务 ,提高车床的加工精度 和生产率 。在考虑经济型数控机床改造具体方案 时 ,所遵循的原则是在满足需要的前提下 , 对原有 车床尽可能减少改动量 ,以降低改造成本 。改造中 需要解决的问题是 : 将机械传动的进给和手动控制 的刀架转位改造成数控装置控制的刀架自动转位 和自动进给的数控加工车床 。根据 S K360 车床的
M achi ne B uil di ng & A utom ation , J un 2005 , 34 ( 3) : 121 ～ 123
2. 2 纵向 ( Z 向) 进给系统
a) 设计思路 : 纵向进给系统由步进电动机经
减速后驱动滚珠丝杠螺母机构运动 ,带动大拖板左 右纵向移动 。步进电动机安装在纵向丝杠的右端 。
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